沖擊荷載作用下土體動力特性有限元分析

王黎明 韓選江

(1.新沂市盛豐建設工程質量檢測中心，江蘇 徐州 221400； 2.南京工業大學交通學院，江蘇 南京 210009)

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沖擊荷載作用下土體動力特性有限元分析

王黎明1韓選江2

(1.新沂市盛豐建設工程質量檢測中心，江蘇 徐州 221400； 2.南京工業大學交通學院，江蘇 南京 210009)

運用有限元軟件ABAQUS，模擬了沖擊荷載作用下土體動力響應特性，探索了夯錘運動動力特性和土體動態響應特征與規律，有助于進一步認識強夯加固機理，提高地基處理質量。

地基，沖擊荷載，動力特性，本構模型

0 引言

由于對強夯加固機理還沒有完全認識清楚[1]，也未形成一套成熟的設計計算方法，強夯施工前，應在施工現場有代表性的場地上選取一個或幾個試驗區，進行試夯或試驗性施工。目前強夯試驗性研究費用都比較高，為保證地基處理的安全可靠性，其試驗費用高達幾十萬元。因此本文通過有限元軟件ABAQUS對夯擊試驗過程進行模擬，采用優化設計方案，降低成本。通過模擬試驗方案，致力于減少試驗次數，從減少試驗經費，優化施工參數，提高地基處理質量等方面進行有益的探索。

1 土體材料的本構模型

在本文中采用線性Drucker-Prager模式[2],通過輸入數據參數定義子午面和偏平面中屈服面和流動面的形狀及無彈性行為的其他特性。

偏平面中典型的線性模式屈服面見圖1。

線性D-P屈服準則為[3]：

。

2 地基模型建立

由于土體動力特性的影響因素較多，土體變形特征也很復雜，為反映影響土體動力特性的主要因素，對本模型作了如下假設：

1)模擬范圍內的地基土被視為均勻各向同性的彈塑性半無限空間體；

2)不計夯錘與地基土間的水平方向摩擦；

3)不計夯錘沖擊土體過程中產生的聲、熱能造成的能量損失；

4)考慮土的自重應力場，并將其作為初始條件進行計算分析。

3 土體動力效應的有限元分析

3.1 夯錘運動動力特性

對于強夯產生的沖擊荷載,很多學者都進行過理論研究和實際觀測，錢家歡等應用邊界元法[5],蔣鵬等采用動力接觸有限元法[6],孔令偉等通過積分變形和傳遞矩陣法[7],都得出了相似的動應力與接觸時間的關系曲線，這些研究分析為強夯沖擊荷載的簡化模式提供了一定的理論依據。

根據實測結果,夯錘對地面沖擊碰撞過程中,應力波為一尖峰,均沒有明顯的第二應力波，作用時間為0.04 s～0.2 s。吳銘炳、李本平等將強夯產生的瞬態荷載簡化成三角形[8，9],荷載模型的升壓時間和降壓時間相等，但實際夯錘接觸應力受多種因素影響，因此三角形應力簡化模型不足之處是比較明顯的。然而通過有限元模擬夯錘沖擊土體，可以對夯錘的運動形式進行詳盡的研究。

錘底豎向應力如圖2所示。ABAQUS有限元模擬結果表明，夯錘對地面沖擊碰撞過程中,應力波為一尖峰,第二應力波不明顯，并且第一應力波的升壓時間和降壓時間基本相等，0.05 s以后應力波呈振蕩衰減狀。模擬結果與吳銘炳、李本平等的強夯瞬態荷載簡化模型吻合較好，但有限元模擬對錘底應力變化過程的描述更為詳細。

錘體運動位移時程曲線見圖3。錘體沖擊土體，位移不斷增長，在0.2 s左右位移值達到最大。0.2 s后錘體位移減小，表明錘體與土碰撞過程中錘體發生回彈，夯錘與土體短暫分離，這一分析結果也與工程實際相吻合。

3.2 地基土動力響應特性

1)錘下夯坑土體位移、應力和密度變化規律。

本文的模擬結果較符合現場實測規律,夯坑的最終形狀如圖4所示(圖4中x=2.5 m處對應于夯錘底面中心)。可見錘的邊緣其位移大于錘中心位移，說明錘邊緣反力要大于錘中心反力。對此推斷，圖5給予了很好證明,接觸應力沿錘底近似呈馬鞍形分布，同實際情況相符。

2)土中豎向位移隨深度變化規律。

夯錘中心下方土中豎向位移隨深度變化見圖6，可以看出土中豎向位移隨深度逐漸衰減，在夯坑下方豎向位移最大，隨著與夯坑中心豎向距離的增加，位移迅速減小。

3)土體動應力變化規律。

圖7～圖10為土體在夯擊作用下Mises應力等值云圖。由Mises應力等值云圖可見在沖擊力作用下土中形成一應力脈沖波，淺層土體受到強烈破壞，應力達到屈服值，產生彈塑性變形；深層土體受影響程度較小，尚未達到屈服條件，發生彈性振動。沖擊波過后土體應力不再恢復到原有數值，此時土體在新的平衡位置作逐漸衰減的彈性振動，至最終靜止。

4 結語

擴展的Drucker-Prager 模型具有簡單、實用、參數少、較為成熟等優點，本文選用該模型成功用于對沖擊荷載作用下土體動力特性問題的模擬計算。

關于沖擊荷載作用下地基的動應力場、密度場等動力特性的理論研究仍處在探索階段。本文采用三維非線性有限元方法進行模擬，反映土體在應力場、位移場等動態響應特征和規律。有限元分析結果還表明，夯錘對地面沖擊碰撞過程中，與吳銘炳、李本平等的強夯瞬態荷載簡化模型相吻合；錘體運動位移、加速度時程曲線表明錘體與土碰撞一次過程約為0.2 s，碰撞后錘體發生回彈，錘、土短暫分離，與工程實際相吻合；夯錘面積內的夯坑接觸反力近似呈馬鞍形分布，夯錘中心下方土的豎向位移隨深度成指數衰減關系等規律。

[1] 周 健,張思峰,賈敏才,等.強夯理論的研究現狀及最新技術進展[J].地下空間與工程學報,2006,2(3):510-516.

[2] 周鳳璽，李世榮.廣義Drucker-Prager強度準則[J].巖土力學，2008,29(3)：747-751.

[3] 蘇繼宏,汪正興,任文敏,等.巖土材料破壞準則研究及其應用[J].工程力學，2003，20(3)：72-77.

[4] 董林偉，張明義，解云蕓,等.ABAQUS軟件本構模型中屈服準則的參數研究[J].青島理工大學學報，2013,34(1)：48-50.

[5] 錢家歡，帥方生.邊界元法在地基強夯加固中的應用[J].中國科學:數學,物理學,天文學技術科學,1987(3):329-336.

[6] 蔣 鵬,李榮強,孔德坊.強夯接觸力和接觸位移的碰撞分析求解[J].工程地質學報,2002,10(1):108-112.

[7] 孔令偉，袁建新.強夯時地基土的應力場分布特征及應用[J].巖土力學，1999,20(3):13-19.

[8] 吳銘炳,王鐘琦.強夯機理的數值分析[J].工程勘察,1989(3):1-5.

[9] 李本平,陳燕順,吳世明.用加載—卸載雙線性模型分析強夯加固機理[A].全國巖土力學數值分析與解析方法討論會[C].1998.

Finite element analysis of soil dynamic characteristics under the effect of compaction load

Wang Liming1Han Xuanjiang2

(1.XinyiShengfengConstructionEngineeringQualityDetectionCenter,Xuzhou221400,China; 2.CollegeofTraffic,NanjingUniversityofIndustry,Nanjing210009,China)

Applying finite element software ABAQUS, the paper simulates soil dynamic response characteristics under the effect of compaction load, and explores rammer dynamic characteristics and soil dynamic responses characteristics and law, which will be good for further understanding dynamic compaction mechanism and improving foundation processing quality.

foundation, compaction load, dynamic characteristics, constitutive model

1009-6825(2016)31-0083-02

2016-08-20

王黎明(1981- )，男，碩士，工程師

TU452

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